城市轨道交通车辆车载蓄电池剩余容量估算方法

姜 波 李晓明

(中车长春轨道客车股份有限公司,130062,长春∥第一作者,工程师)

城市轨道交通车辆车载蓄电池剩余容量估算方法

姜 波 李晓明

(中车长春轨道客车股份有限公司,130062,长春∥第一作者,工程师)

城市轨道交通车辆车载蓄电池的电压值无法准确反映当前蓄电池剩余容量值。采用安时积分法作为蓄电池电量变化量的基本计算方法,综合考虑影响蓄电池容量的初始误差和累计误差,将老化程度、温度变化及放电倍率作为误差补偿因子,建立估算蓄电池剩余容量的数学模型。根据估算模型设计算法流程,并将其应用于城市轨道交通车辆蓄电池监测系统。该系统可以向列车操作人员提供蓄电池剩余容量的实时信息,便于维修维护等操作。

城市轨道交通; 车辆; 蓄电池; 剩余容量; 误差补偿; 估算模型

Author′s address CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,130062,Changchun,China

在城市轨道交通车辆车载蓄电池容量管理中,一般仅通过判断蓄电池电压值来衡量蓄电池剩余容量SOC的大小。当用电压值衡量法判定某蓄电池的电压低于某一定值时,则认为该蓄电池不足以提供足够的容量供列车使用。这种电压值衡量法无法定量地表示蓄电池当前真实的剩余容量,甚至会产生比较大的偏差,从而造成对列车当前的状态判断失准。本文基于安时积分法求取充放电过程中的电量变化量,并考虑蓄电池老化程度[1]、蓄电池温度[2]、放电倍率[3]等因素对蓄电池容量的影响,建立具有误差补偿能力的数学模型计算当前剩余容量,为列车调试或运营管理提供可靠的蓄电池容量状态信息。

1 电量变化值计算存在的问题

安时积分法是一种常用的蓄电池电量累计方法。其主要原理是通过计算一段时间内充放电电流与充放电时间的积分,求解得出积分时间内电量的变化值占初始总电量的百分比,进而求出初始容量和变化容量之间的差。该差值即为SOC,其计算公式为:

(1)

式中:

SOC(t)——剩余容量;

SOC(t0)——初始容量;

I——电池电流;

Q——电池额定电量;

t——积分时间。

安时积分法将蓄电池视为1个密闭系统,不关心其内部复杂的电化学反应及内部各个参数之间的关系,而是研究系统外部特性,关注进出系统的电量。这种方法通过电流与时间的积分值计算充入电池和流出电池的电量,在一段时间内,监测和记录电池的变化电量,通过与初始值求差,得到实时的SOC。

但是,安时积分法忽略了电池状态与电量的关系,没有考虑电池老化、温度及放电倍率等因素对SOC估算的影响,长期积累,误差会越来越大。所以,要想提高安时积分法的精度,就必须对这些因素采用较好的方法进行处理。

2 基于影响因素补偿的数学模型

2.1 影响因素分析

考虑到安时积分法忽略了蓄电池状态与电量的关系,下面针对几种重要的影响因素对SOC的计算进行补偿处理。

电池SOC初始误差来源于蓄电池老化程度的影响,本模型考虑这一影响因子来解决初始误差的问题。

安时积分的累积误差来源于蓄电池充放电过程中温度的影响以及放电倍率的影响,在蓄电池的动态运行过程中,通过对以上两种影响因子的处理来解决累积误差的问题。

定义蓄电池老化程度[4]的影响因子为f(tm),则有:

(2)

式中:

∑tm(i)——电池累计循环充放电次数,由监测单元实时判断并累计处理,并可即时存储和调取;

tm,I——电池出厂时的额定循环寿命。

定义充放电过程中蓄电池温度变化影响因子为f(Tp(t)),其表达式为:

(3)

式中:

kT——温度系数[5],其取值范围是0.006～0.008;

T(t)——电池实时温度,由温度传感器实时检测而获得;

T0——额定电量Q对应的标准温度值。

设η为放电倍率影响因子,则:

(4)

式中:

QN——采用标准电流对电池进行放电时从电池中所放出的电量值,其是蓄电池出厂时由蓄电池厂家提供的固有已知参数;

Qcal——蓄电池放电状态下不同放电电流对应放出的电量,可通过查表求得。

以南昌地铁2号线车辆项目所使用的国内城铁车辆常用DTM-3系列型车载蓄电池为例,该电池出厂时,厂家提供了一部分不同试验的放电电流值I测及其对应的测量时间t测的关系(如表1所示)。其中,电量Qcal根据电流与时间的乘积得出。

表1 不同放电电流、时间及电量的对应关系

2.2 数学模型的建立

综合考虑上述补偿因素的影响,定义蓄电池剩余容量初始补偿值为SOC,1(t0),则有:

(5)

式中:

SOC,1(t0)——监测单元初始上电时对蓄电池剩余容量的初始补偿值;

SOC(t0)——蓄电池剩余容量初始值,由监测单元在列车初始上电时读取自身内部存储器中的保存值而获得;

f(tm)由式(2)求得。

定义动态过程中电池容量的变化量ΔSOC的表达式为:

(6)

式中:

ΔSOC——动态过程中电池容量的变化量。

则有:

(7)

3 算法流程设计

3.1 算法步骤

根据上述影响因素补偿的数学模型,并结合蓄电池监测单元等车载硬件性能,设计软件算法流程为:

步骤一:在列车蓄电池上电后,由蓄电池监测单元读取内部存储器中存储的蓄电池剩余容量SOC的存储数值SOC(t0)。

步骤二:在蓄电池监测单元运行之初根据式(5)计算电池剩余容量的初始补偿值SOC,1(t0)。

步骤三:在蓄电池动态过程中,根据式(6)计算实时温度补偿电量变化值。

步骤四:在蓄电池放电过程中,根据式(6)计算实时放电倍率补偿电量变化值。

步骤五:蓄电池监测单元根据式(7)计算当前蓄电池SOC,并保存计算结果,该计算结果可被即时读取。

3.2 算法流程图

由2算法步骤,设计相应软件的算法流程见图1。

图1 算法流程图

4 结语

本方法基于蓄电池监测系统的硬件平台,综合考虑影响蓄电池SOC的因素进行误差补偿并建立估算模型,通过设计相应的流程算法实现城市轨道交通车辆蓄电池剩余容量的估算。在城铁车辆实际应用中,蓄电池监测单元接入列车网络系统中,向司机或维修维护人员实时显示当前蓄电池电量状态。当剩余容量低于安全值时,蓄电池监测单元会及时上报电量低的警告信息,以防止因蓄电池馈电而导致列车系统无法上电。

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Estimation of the Residual Capacity of Storage Batteries Installed on Metro Train

JIANG Bo, LI Xiaoming

The voltage values of storage batteries on the metro train cannot reflect the real residual capacity.The Ah (Ampere-hour) integral method is used as a basic calculation to judge the variable quantity of charge.It is proper to consider the initial and accumulative errors which affect the state of charge.The aging level of batteries,temperature changes and discharging rate are taken as the error compensation factors,so as to establish the mathematics model to measure the residual capacity of batteries.According to the design algorithm flow,the model will be applied to the batteries′monitoring system on metro train.This system will provide the train operators real-time information about the state of charge,making it convenient for service and maintenance.

urban rail transit; train; storage battery; residual capacity; error compensating; estimation model

U 270.38+1; TM 912.8

10.16037/j.1007-869x.2016.12.015

2016-04-22)